2. Звуковая карта пк.

2.1. Структурная схема звуковой карты.

Упрощенная блок-схема традиционной аналоговой звуковой карты приведена на рис. 12.2. Аналоговые сигналы от различных источников — микрофона, CD (здесь обычно используется аналоговый интерфейс CD-ROM), линейного входа, а также ЦАП и синтезатора — смешиваются микшером. Микшер для каждого входа имеет аналоговые регуляторы с цифровым управлением, позволяющие изменять усиление и баланс стереоканалов. Микшер может быть дополнен регулятором тембра — простейшим регулятором усиления высоких и низких частот или многополосным эквалайзером (на рисунке не показан). С выхода микшера аналоговый сигнал поступает на линейный выход и оконечный усилитель..

ПГ

(MIDI)

Рис. 12.2. Блок-схема звуковой карты

• Line In — линейный вход от магнитофона, тюнера, проигрывателя, синтезатора и т. п. Чувствительность порядка 0,1-0,3 В.

• Line Out — линейный выход сигнала на внешний усилитель или магнито­фон, уровень сигнала порядка 0,1-0,3 В.

• Speaker Out — выход на акустические системы или головные телефоны. Подключать к нему внешний усилитель мощности нецелесообразно, по­скольку здесь искажения больше, чем на линейном выходе.

• Mic In — микрофонный вход, чувствительность 3-10 мВ. Этот вход обыч­но монофонический, но иногда используется трехконтактное гнездо (как в стерео), у которого дополнительный контакт (на месте правого канала) предназначен для подачи питания на электретный микрофон.

Собственно цифровые каналы звуковой карты проходят через интерфейсные схемы (например, MIDI- от шины расширения до ЦАП и от АЦП обратно к шине. Для передачи потоков данных используются каналы DMA (Direct Memory Access=Прямой доступ к памяти)— один 8-битный и один 16-битный. Преобразования синхронизируются от программируемого генератора (ПГ), который определяет частоту дискретизации. Частоту дискретизации, разрядность (8 или 16 бит) и режим (моно/стерео) выбирают при записи. От этих параметров зависит качество оцифровки и объем информации, занимаемой записью с определенной длительностью. Эти же значения параметров должны устанавливаться и при воспроизведении данной записи (сведения о них хранятся в заголовках звуковых файлов). Изменение параметров воспроизведения относительно параметров записи в общем случае требует программного преобразования файла данных.

Несмотря на наличие двух каналов DMA, далеко не все карты позволяют работать в дуплексном режиме цифрового канала — одновременно и независимо вводить и выводить цифровой поток. Полный дуплекс нужен, например, для IP-телефонии: аналоговый сигнал от микрофона поступает на АЦП, с которого цифровой поток в сжатом виде укладывается в пакеты IP-транспорта. Одновременно из принятых пакетов данные через ЦАП направляются на аудиовыход. В структуре, изображенной на рис. 12.2, эти потоки пересекутся в микшере и показаны пунктиром. Практически все современные карты поддерживают полный дуплекс. В них имеются два микшера — один для записи, другой для воспроизведения. В сложных картах может быть и пара преобразователей ЦАП (стереофонических), один из которых служит для воспроизведения звукозаписи, а другой обслуживает цифровые синтезаторы. В современных картах, построенных на основе сигнальных процессоров, аналоговые микшеры заменяются цифровыми. В ряде карт число входов у микшеров (4) меньше, чем число возможных источников сигнала. Тогда на карте имеется программно-управляемый коммутатор, с помощью которого можно выбрать источники, посылаемые на микшер записи и микшер воспроизведения.

Для создания специальных эффектов (хор, реверберация и т. п.) на более сложных звуковых картах применяются процессоры обработки сигналов DSP (Data Signal Processor).

2.2. Цифровые технологии в звуковых картах

По степени вытеснения аналоговой обработки цифровой технологией фирма Intel различает три градации звуковых карт.

• Аналоговые (Analog) карты имеют аналоговые входные (микрофон, линейный вход, CD) и выходные (линейный и от усилителя) цепи. В этих картах чаще всего применяются аналоговые микшеры. На этих картах располагается и порт традиционного MIDI.

• Карты Digital Ready позволяют заменить входные и выходные аналоговые интерфейсы на цифровые, используя шины общего назначения (USB, FireWire) и специальные цифровые аудиоинтерфейсы (S/PDIF, I²S) для подключения цифровой аудиоаппаратуры. В этих картах аудиопоток от любого источника внутри карты представляется в цифровом виде и может перенаправляться как на аналоговые, так и на цифровые внешние интерфейсы или носители информации. В отличие от первых карт, где характеристики АЦП (разрядность, максимальная частота преобразования) часто были хуже, чем ЦАП, теперь упор сделан на АЦП. Разрядность этого преобразователя повышают до 18 бит и более, сохраняя разрядность ЦАП в 16 бит. Качественный АЦП, который остается единственным источником шума («цифра» не шумит по определению) нужен для расширения динамического диапазона. Разрядность обрабатываемых аудиоданных увеличивают до 32 бит, чтобы при вычислениях не терялась точность. Преобразователи ЦАП используются только для прослушивания, так что их погрешности и шумы не накапливаются. Поскольку между такой картой и системной шиной может потребоваться циркуляция множества цифровых аудиопотоков, в качестве шины расширения PCI альтернатив не имеет. Интерфейс аналогового джойстика с этих карт уходит, подразумевая его замещение цифровым для шины USB.

• В полностью цифровых картах (Digital Only) совершенно отсутствуют аналоговые интерфейсы, в них используются интерфейсы S/PDIF, PS, AC-Link, а также ввод-вывод по шинам USB и Fire Wire. В этих картах от традиционных 16-битных стереостандартов переходят к многоканальным системам большей разрядности и с частотой квантования 48 кГц и выше.

Переход на полностью цифровую обработку аудиосигналов, включая микширование, фильтрацию, позиционирование и применение эффектов стал возможен даже для программной реализации на современных процессорах. Однако если для одного потока это и приемлемо, то для множества потоков и в многозадачной системе высокого качества обработки не получить (начнутся «заикания»), а загрузка процессора будет слишком высокой. В графической системе подобная проблема решается видеоакселераторами, которые стали уже традиционной частью видеокарт. То же начинают применять и в аудиокартах. Аппаратные средства, реализующие функции обработки аудиопотоков, называют аудиоакселераторами. Фактически это сигнальные процессоры (DSP) со стандартизованным программным интерфейсом (набором драйверов).

С переходом на цифровые технологии обработки аудиосигналов возникает проблема сведения на микшере сигналов от источников с разными частотами выборки. В аналоговой обработке таких проблем не возникает. Самый простой (но не самый лучший) способ сведения — преобразовывать цифровые сигналы в аналоговые, фильтровать и суммировать уже аналоговые сигналы (а потом их снова преобразовывать в цифровые, например, для записи в файл). Однако возможно и чисто цифровое решение проблемы — преобразование частоты дискретизации, оно же ресэмплинг (resampleing), или SRC (Sample Rate Conversion). Преобразование возможно как в сторону понижения частоты (прореживание выборок), так и повышения. Понижение частоты автоматически приводит к пропорциональному сужению полосы пропускания аудиосигнала. Повышение частоты выборок путем пересчета аудиосигнал, естественно, не улучшит — новые выборки будут «придуманы» конвертером путем интерполяции реально существующих.

Рис. 11.5. Преобразования частот дискретизации

Вполне очевидно, что пересчет будет гораздо проще (и вернее) при удвоении частоты, а не при умножении, скажем, на 8/7. В цифровой аудиосистеме удобно привести все сигналы к единой частоте, и с точки зрения максимального сохранения качества — к самой высокой из используемых. Большое неудобство заключается в том, что аудио-CD (считав­шиеся еще недавно эталоном качества) задействуют частоту дискретизации 44,1 кГц, а на DVD кодирование MPEG-2 предусматривает частоту 48 кГц, и эту частоту нельзя обходить вниманием. При разработке аудиокодека АС'97 (см. ниже) был выбран ряд рекомендованных частот дискретизации 8,000, 11,025, 16,000, 22,050, 32,000, 44,100 и 48,000 кГц. Основной частотой принята 48 кГц, и все остальные сигналы приводятся к ней по схеме, приведенной на рис. 11.5. Самым тяжелым преобразованием в этой цепочке является пересчет 147:160 — из 147 выборок, например, от аудио-CD, «сочиняют» 160 выборок, также равно­мерно распределенных во времени. Для осуществления пересчета требуется бу­ферная память для временного хранения выборок, объем требуемого буфера за­висит от соотношения частот и алгоритма пересчета. Понятно, что даже при са­мом лучшем алгоритме пересчета сигнал от аудио-CD всяко потеряет в каче­стве.

3. Интерфейсы цифровых карт

Звуковая карта имеет набор разъемов для подключения внешних аудиосигналов, аналоговых и цифровых; звуковая карта может иметь дополнительный интерфейс подключения дочерней карты, расширяющий возможности основной. Дочерние карты могут содержать более качественный синтезатор, дополнительные высококачественные устройства ЦАП, АЦП и иные средства.

3.1. Аналоговые интерфейсы

Аналоговые интерфейсы используются для подключения стандартной бытовойаппаратуры, микрофона, аналогового выхода CD-ROM. На большинстве картмассового потребления для аналоговых сигналов предназначены малогабаритные разъемы — «мини-джеки» (jack) диаметром 3,5 мм, моно и стерео. Эти разъе­мы универсальны (используются на бытовой аппаратуре), но имеют весьма низ­ кое качество контактов — являются источником шумов (шорохов и тресков),а также иногда просто теряют контакт. На некоторых высококачественных картах сигналы линейного входа и выхода выводятся на пары разъемов RCA, что обеспечивает очень хороший контакт (особенно в позолоченном варианте). В просторечии такие разъемы, часто используемые на бытовых видеомагнитофонах, называют «колокольчиками» или «тюльпанами».

Рис. 12.3. Разъемы подключения аудиосигналов: а— мини-джеки (стерео и моно); б— внутренние разъемы подключения CD-ROM